埃爾朗根-紐倫堡大學Acta Mater.：無鉛BNT陶瓷複合材料中殘餘應力的研究

【引言】

無鉛鐵電材料，包括(K0.5Na0.5) NbO3基(KNN)材料，(Bi1/2Na1/2)TiO3基(BNT)材料和(Ba，Ca)(Zr，Ti)O3，作為一類新型鐵電材料，在致動器和感測器中有著廣泛應用。然而，BNT材料在致動過程中存在明顯的遲滯，可能會導致自熱和元件失效。為解決這一難題，近日有學者研發出BNT陶瓷基複合材料，優化了無鉛鐵電體的機電響應，同時報道了關於陶瓷複合材料內部殘餘應力的研究。

【成果簡介】

近日，來自德國埃爾朗根-紐倫堡大學的Neamul H. Khansur(通訊作者)等人在Acta Mater.上發布了一篇關於無鉛鐵電材料的文章，題為「Investigation of residual stress in lead-free BNT-based ceramic/ceramic composites」。本文中研究了由無鉛鐵電材料組成的陶瓷/陶瓷多層複合結構的局部力學，化學和結構特性，以及共燒結對機電性能的影響。作者通過每個樣品的厚度一致進行了納米壓痕和EDX實驗，提供了化學成分，局部力學性能和微觀結構的直接比較。為確定陶瓷層之間互擴散對晶體結構的影響，使用沿著複合材料橫截面的微X射線衍射來表徵晶體結構，從而觀察這種互擴散的影響以及可能存在的殘餘應力。

【圖片導讀】

圖1 單極應變-電場磁滯回線

陶瓷複合材料的單極應變響應增加大於 34％，這是由極化和應變耦合引起；此外，由燒結過程中的體積收縮和熱膨脹失配或界面的互擴散而引起的殘餘內應力也會影響材料的宏觀機電性能。

圖2 樣品能譜和納米壓痕測試

化學成分(基於K和Al含量的EDX分析)，晶粒尺寸，彈性模量和硬度隨樣品中的距離而變化。紅線和藍線分別對應於體積種子和基體材料的彈性模量。兩端部件的硬度相同，並用黑色虛線表示。

圖3 鐵彈性測試

(a) 室溫下BNT-7BT的應力-應變曲線；

(b) 彈性模量與應力的關係曲線。

圖4 三層複合結構與單一基體維氏硬度對比

(a) 三層複合結構和維氏壓痕示意圖；

(b) 平行和垂直於界面的裂紋長度；

(c-f) 光學顯微鏡圖像。

圖5 微區XRD測試

(a) 陶瓷/陶瓷複合物從20到70°的衍射圖案；

(b) 通過樣品厚度計算出的c值、晶格參數和晶格畸變。

【小結】

這篇文章介紹了無鉛鐵電陶瓷/陶瓷多層複合結構的局部力學，化學和結構特性。研究結果表明，兩個端部元件之間的互擴散和內部殘餘應力導致了BNT-7BT層中晶體結構和彈性性質的顯著變化以及晶粒尺寸的減小。維氏壓痕實驗表明裂紋擴展具有各向異性，並證實了各層的應力狀態，即BNT-7BT層的壓應力和BNKT-6BA層的拉應力。數據進一步闡明了共燒結對複合材料的影響，揭示了由於燒結過程中的相互作用從而導致殘餘應力和結構變化的存在。這些相互作用可以通過優化來提高無鉛壓電材料系統的性能。

文獻鏈接：Investigation of residual stress in lead-free BNT-based ceramic/ceramic composites (Acta Mater., 12 February, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.014）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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